基本介紹
- 中文名：核電子學
- 外文名：nuclear electronics
- 類別：電子學與核科學間的一門交叉學科
- 形成時間：50年代
- 所需技術：核電子技術
發展簡史,研究對象,套用領域,一種高速模數轉換電路在核電子學中的套用,分頻電路在核電子學中的套用,
發展簡史
核輻射現象（天然放射性）發現於1896年。1926年，H.蓋革等發明GM計數管，單次輻射通過時發出一個電脈衝，經電子管放大後，可驅動電話發出聲響。聲響的疏密反映輻射源的強弱，還可用示波儀進行記錄，或觸發閘流管而驅動機械計數器。這項發明使核物理實驗得到了電子技術的支持，從而促成了30年代以來核物理學和高能物理學上一系列重要的發現。1930年，B.羅西用三重符合電路發現了宇宙線在東西方向上的不對稱性。1932年，P.M.布萊克特等人又用此電路啟動雲室拍照，大大提高了雲室的效率。C.D.安德森用這樣的雲室研究宇宙射線時發現了正電子（1932年）和μ介子(1936年)，獲得了1936年諾貝爾獎金物理學獎。這些成就加深了人類對原子核的認識，也使物理學家對電子學方法的優越性的認識逐步提高。30年代初，人們就致力於為核物理實驗研製專用的成套電子儀器。1931年，盧瑟福實驗室製成包括放大器、計數器和電源的成套電子儀器，成為核物理實驗中早期的有力工具。
第二次世界大戰開始後，核電子學圍繞核武器的研究得到更大的發展，逐漸形成了一門學科。1945年，第一顆核子彈的爆炸，又向核電子學提出很多新課題，如怎樣探測核爆炸的各種機制和核爆炸產生的強電磁脈衝對電子設備的影響、損壞機制以及如何將電子設備加固以抗核脈衝的衝擊等。
1949年，R.L.霍夫斯塔特發明了用碘化鈉（鉈）晶體製成的閃爍計數器。這是輻射探測器的一次重大發展。它推動了核γ譜學和相應的測量儀器γ譜儀的發展。γ譜儀的電子學部分，是一個對閃爍探測器輸出的電脈衝進行幅度分析的儀器。
50年代初，由於閃爍探測器的快速時間回響，核電子學已開拓了納秒脈衝技術，套用在放大、甄別、計數、符合、時間測量等技術上。同一時期，對核探測器的噪聲問題也進行了理論分析，並開展了低噪聲譜儀放大器的研究，使核能譜的測量工作在速度上和精度上大為提高。
50年代中、後期，高能加速器出現，物理學家開始尋找新的基本粒子。他們利用各種閃爍探測器和核電子學方法，取得了許多重要的物理學成就。1958年，第一次國際核電子學會議在貝爾格勒召開，此後，核電子學的名稱正式為國際有關學術界採用。
進入60年代時，已研製出各種半導體探測器，特別是鍺（鋰）漂移半導體探測器。其γ能量的分辨能力比閃爍探測器約高兩個數量級，時間分辨和本底也優於閃耀體。不足之處是它必須在77K的低溫下工作，要用液氮來保持，不太方便。60年代末，已研製出能在常溫下保存的高純鍺探測器。
到60年代中期，核電子儀器的電晶體化幾乎已全部實現。電晶體化還促進了核電子儀器的標準化。1968年，卡爾帕克發明了多絲室探測器。當粒子通過密布在不同層上、數目眾多的某些絲時，這些絲便發出電信號。如果讀出絲的編號，就可以判定粒子通過的位置。1970年，他又研究出漂移室，比多絲室定位更準。因此，要求有龐大的快、準、穩的電子讀出電路。這種由大型快速電子電路、計算機組成的系統只是在70年代中出現大規模積體電路、混合積體電路和發射極耦合邏輯電路等器件後才得以實現。這種全電子式探測器在高能物理實驗中逐步取代了1952年發明的汽泡室。
到70年代末，以微型計算機為基礎的成套核電子儀器系統，如核能譜測量系統，在核科學技術各領域中得到廣泛的套用，而大型的核信息獲取與處理系統已成為高能物理前沿實驗中的必要手段。
1983年初，歐洲核子研究中心的UA-1、UA-2實驗組在SPS質子－反質子對撞機上觀察到中間玻色子W+、W-和Z0的衰變現象。它們是電磁作用和弱作用力統一理論所預言的粒子。其中的兩個關鍵是：①用電子學反饋方法實現反質子環中的隨機冷卻；②實驗所用的探測設備重達2000噸，除磁鐵重800噸外，其餘皆為探測器電子學系統，其中使用了數百個微處理器。
核電子學是在不斷滿足迅速發展的核科學技術的需要而發展起來的，它也不斷吸收其他科學技術的成就，特別是各電子學分支學科的成就。同時它也不斷地向其他領域擴散自己的知識。核電子學中對脈衝幅度和時間間隔的精密測量和甄別等技術，對40年代雷達和電子計算機的迅速發展提供了有用的經驗。納秒脈衝技術也是在核電子學中領先得到發展的。現代的高速模－數轉換技術起源於核電子學中多道脈衝幅度分析技術。核電子學與其他學科相互滲透而出現了一些邊緣學科。
研究對象
核電子學的研究對象包括：
①各種輻射探測器及與之相應的電子電路或系統。
②針對核信息的隨機性、統計性或單次性等特點的各種精密的電子學測量技術；時間間隔（微秒到皮秒）、空間分辨（毫米到微米）。
③配有線上電子計算機的核電子系統，用於在核科學技術和高能物理實驗中實時獲取並處理巨量核信息，在實驗全過程中不間斷地對整個系統工作的監測和控制。
④電子原材料、電子元件、器件和電子設備或系統在核輻射、核電磁場下的輻射效應和相應的抗輻射加固技術。
⑤核技術在工業、農業、軍事、醫學、生物研究等方面套用時所需的各種輻射探測技術和電子技術。
套用領域
核技術逐漸更多地從軍事轉向民用領域，因而對核電子學也提出了更廣泛而深入的要求。如在電子器件和電路的發展過程中，尤其是在半導體時代，核電子學對元件、器件和電路都有某些特殊要求，如高可靠性、高穩定性、輻射環境下的生存和套用等。這些特殊要求是許多電子系統必需考慮的，因而也促進了電子工業的發展。至於核能套用和航天電子設備的抗輻射加固，更需要抗輻射電子學作出貢獻。
核信息獲取和處理系統的實時性強、速度快和功能靈活，為其他領域提供了許多有用的經驗。例如，核電子學中的 CAMAC標準也在國防和工業上得到套用。70年代以後，核醫學診斷吸收了核電子學方法，使同位素掃描技術發展成γ照相機技術，又進而發展成斷層照相技術。
一種高速模數轉換電路在核電子學中的套用
高速模數轉換電路是採用AVR單片機ATmega128作為主控制器，取代C51系列單片機，選用高速模數晶片AD9220(10MSPS)代替原來的ADl674(100KsPS)作為模數轉換器，轉換速率高，可以達到5Ms/s。實驗證明，該電路套用到γ射線探測系統中，將整個系統探測通道的採集速率提高了幾十倍。
在核探測領域中，需要高速數據採集，其探測通道必須具有高速模數轉換電路，對探測器輸出信號進行採集。以探測γ射線為例，γ射線探測器輸出信號多為1～2微秒的脈寬，若要對其峰值進行採集，探測通道的採集速率必須大於1MS/s。典型的模數轉換電路大部分是採用C51系列單片機作為控制器，選用AD574、AD674、AD774、ADl674作為模數轉換器，這種電路的模數轉換速率最高為100Ks/s。如果採用上述方法，根本不能滿足要求。
γ射線探測系統主要用來測量4MeV正離子靜電加速器在運轉過程中產生的γ射線強度及吸收劑量率，以為加速器防輻射安全提供了確切依據。主要由γ射線探測器、放大電路、峰值保持電路、高速模數轉換電路、USB接口電路和PC機組成。
探測器輸出與γ射線能量成正比的電壓脈衝經過放大後進入峰值保持電路，ATmega128控制AD9220對其峰值進行模數轉換，最後由PC機發出讀取數據的命令，將採集到的數據通過USB接口電路傳輸給上位機，並進行數據處理顯示。利用γ射線探測系統探測Cs得到的全能峰中可以看出Cs的半高寬為174，能量解析度為7.73%。
分頻電路在核電子學中的套用
在數字邏輯電路設計中，分頻電路是電子設備和電子系統中常用的一種基本電路，通常用來對某個給定頻率進行分頻，以得到所需的頻率。分頻電路不僅廣泛套用於數字系統特別是無線通信系統中，如載波恢復、上下變頻，比特同步、時隙同步等等，在核電子學中也有著重要套用。例如在基於慢正電子束流的正電子壽命譜儀中，隨時間連續分布的慢正電子束流經微束團化系統後轉化為了頻率為37.4275MHz、脈衝寬度為200～300ps的脈衝束流。而聚束器的諧振頻率為149.89MHz，為保持信號源的一致性需要一個分頻模組將149.89MHz的諧振頻率轉化為37.4275MHz的脈衝束流，才可以利用慢正電子束流裝置進行正電子壽命的測量。
